Experimentalphysik, insbesondere Optoelektronik/Quantenbauelemente

Abgeschlossene Projekte

Deterministische Quantenbauelemente für Quantenkommunikationsnetze

Wir konzentrierten uns auf die Erforschung und Entwicklung von deterministischen Bauelementen zur Erzeugung und Manipulation einzelner Photonen für Anwendungen im Bereich der Quanteninformationstechnologie. Dies geschah durch die Entwicklung von deterministischen und nicht-klassischen Lichtquellen unter Verwendung von ortskontrollierten Quantenpunkten, die nach dem Buried-Stressor-Wachstumsverfahren gezüchtet werden, und durch die Nutzung der in-situ-Kathodolumineszenzlithographie als Technologieplattform. Zu den Forschungsaufgaben gehörte auch die deterministische Herstellung von optischen Elementen und Schaltungen auf dem Chip für hochintegrierte photonische Strukturen.

Webauftritt CFB 787

Verantwortliche: Prof. Stephan Reitzenstein and TU Berlin Dr. Sven Rodt, TU Berlin

Gefördert von: DFG im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 787 "Semiconductor Nanophotonics: Materialien, Modelle, Bauelemente"

Effiziente Quellen für verschränkte Photonenpaare auf der Grundlage deterministischer Quantenpunkt-Mikrolinsen

In diesem Projekt wurden deterministische und ultrahelle Quellen für polarisationsverschränkte Photonenpaare entwickelt, indem wir die Vorteile von In(Ga)As-Quantenpunkten (QDs), die auf (111) ausgerichteten GaAs-Substraten gezüchtet werden, in-situ-Kathodolumineszenzlithographie (CLL) von monolithisch integrierten Mikrolinsen und resonante Anregungssysteme kombinieren. Diese Quantenlichtquellen sind Schlüsselelemente fortschrittlicher Quantenkommunikationssysteme, wie z. B. des Quantenrepeaters, die auf der Verschränkungsverteilung beruhen. In unserem Konzept ermöglichen einzelne (111) QDs im aktiven Bereich der Quellen die Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonenpaaren über die Biexziton (XX) - Exziton (X) Strahlungskaskade aufgrund der spezifischen elektronischen Zustände dieser QDs mit verschwindend geringer Feinstrukturaufspaltung.

Partnerorganisation: Prof. Dr. V. Haisler, ISP Novosibirsk

Förderung: DFG RE 2974/12-1 und Russische Stiftung für Grundlagenforschung

Energieeffiziente Oberflächenstrahler mit höchster Bandbreite für Silizium-Photonik, Beleuchtung und Sensorik: Mikro- und Nano-Laser

Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Erforschung und Entwicklung hoch energieeffizienter und hoch temperaturstabiler oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) und VCSELs im Nanometerbereich für kurzfristige und künftige Anwendungen in der Datenkommunikation, Beleuchtung und Sensorik. Darüber hinaus haben wir VCSELs mit höchstmöglicher Modulationsbandbreite und VCSELs entwickeln, die sich für die Integration in Siliziummaterialien und -schaltungen eignen, um zukünftige Silizium-Photoniksysteme zu ermöglichen. Darüber hinaus entwickelten wir Nanolaser mit möglichst geringem Volumen und damit größtmöglicher Bandbreitendichte.

Webauftritt SFB 787

Hauptverantwortliche: Prof. James Lott, TU Berlin and Prof. Stephan Reitzenstein, TU Berlin

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 787 "Semiconductor Nanophotonics: Materialien, Modelle, Bauelemente"

Externe Quantenkontrolle von photonischen Halbleiternanostrukturen (EXQUISITE)

In diesem Projekt kontrollierten wir photonische Nanostrukturen durch externe Rückkopplung, optische Injektion und Synchronisation. Dies ermöglichte uns, die nichtlineare Dynamik in Quantensystemen zu untersuchen und die Licht-Materie-Wechselwirkung im Bereich der Quantenelektrodynamik (cQED) von außen zu manipulieren und zu stabilisieren. Unsere Arbeit hatte auf interdisziplinärer Ebene wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung nichtlinearer dynamischer Systeme in Richtung der Quantengrenze und auf das Verständnis der fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkung in Anwesenheit von zeitverzögerter Rückkopplung einzelner Photonen haben. Darüber hinaus konnten neue Perspektiven für die Realisierung sicherer Datenkommunikation, ultraschneller On-Chip-Zufallszahlengenerierung, optischer Verbindungen in der Computertechnologie der nächsten Generation und für die Förderung des aufkommenden Bereichs der QIT eröffnet werden.

Förderung: European Research Council, ERC Consolidator Grant-No.: 615613

Fasergekoppelte Halbleiter-Einzelphotonenquelle für sichere Quantenkommunikation im 1,3 µm-Bereich

Das Projekt war Teil der 2. Ausschreibung "Photonische Komponenten und Systeme für Produktion und Messung in den Bereichen Kommunikation, Medizin, Beleuchtung und Sicherheit".

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer praktikablen und effizienten Einzelphotonenquelle mit einem optisch angeregten Halbleiter-Quantenpunkt als Emitter, die bei Bedarf Einzelphotonen liefert und für die sichere Datenübertragung (z.B. Quantum Key Distribution - QKD) im zweiten Telekommunikationsfenster (1,3 µm-Bereich) geeignet ist.

Partnerorganisationen: JCMwave GmbH, Berlin, Deutschland,  PicoQuant GmbH, Berlin, Deutschland, Wroclaw University of Technology, Wroclaw, Polen, Marie Curie-Skłodowska University, Lublin, Polen, P.H. ELMAT Sp. z. o.o., Rzeszow, Polen

Förderung: Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) der Europäischen Union im Rahmen des Programms zur Förderung von Forschung, Innovation und Technologien (Pro FIT).

Integrierte Quellen für verschränkte und ununterscheidbare Photonen

In diesem Projekt haben wir integrierte Quellen für einzelne und verschränkte Photonenpaare für Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation entwickelt. Im Rahmen eines On-Chip-Ansatzes wurden elektrisch gepumpte Flüstergalerie-Mikrolaser einzelne Quantenpunkte, die in benachbarte Mikrosäulenresonatoren und Bragg-Wellenleiter eingebettet waren, zur Emission angeregt. Auf diese Weise erreichten wir eine neue Stufe der Integration, ohne dass externe Lichtquellen benötigt wurden. Neben den technologischen Herausforderungen gab es eine Reihe spannender physikalischer Fragen, wie z. B. ein tiefgreifendes Verständnis der nichtlinearen Prozesse, die an der Erzeugung verschränkter Photonenpaare beteiligt sind, die in unserem Projekt angegangen wurden. Unsere Arbeit legte den Grundstein für eine quantenoptische Plattform, die die Art und Weise, wie wir quantenoptische Experimente durchführen, revolutionieren könnte und sich langfristig zu einer neuen Quantentechnologie entwickeln könnte.

Partnerorganisationen: Prof. G. Weihs, Universität Innsbruck, Dr. C. Schneider, Universität Würzburg

Förderung: DFG RE2974/9-1

Neuromorphisches Computing mittels Quantenpunkt-Netzwerken

Das Hauptziel dieses Projekts war die Implementierung von Reservoir Computing (RC, ein neuroinspiriertes Informationsverarbeitungssystem) in ein optisches Netzwerk von Nanostrukturen. Seine Realisierung erforderte spektral angepasste Quantenpunkt-Mikropillar-Arrays (QDMPA) und beugende Kopplung, um rein optische Netzwerke mit Hunderten solcher Emitter zu schaffen. Unser zugrundeliegender interdisziplinärer Ansatz kombinierte drei aktuelle Konzepte, indem er Nanostrukturen zu einem makroskopischen komplexen System verband, das für leistungsstarke Berechnungen genutzt wird. Bei diesen Konzepten handelte es sich um RC als funktionales Konzept, QDMPAs als Hardware-Plattform und diffraktive Kopplungsschemata für skalierbare optische Netzwerke zur Implementierung komplexer neuroinspirierter Systeme, die zur Informationsverarbeitung mit extrem hoher Geschwindigkeit fähig sind. Es stellte eine einzigartige Gelegenheit dar, diese drei Konzepte in ein voll funktionsfähiges Rechensystem zu integrieren, das ein großes Potenzial in Bezug auf Leistung, Geschwindigkeit, Kompaktheit, Energieeffizienz und künftige Erweiterungen des maschinellen Quantenlernens bot.

Für mehr Information: http://neuroqnet.com/

Partnerorganisation: Dr. Daniel Brunner, Department of Optics, FEMTO-ST, Besançon, France

Förderung: Volkswagen Stiftung

Einzelne Quantenpunktlaser und gekoppelte Hohlraumanordnungen

Das Ziel dieses Projekts war die Realisierung und Untersuchung von Einzelemitter-Lasern und gekoppelten Laserarrays auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten. Das Regime des Einzelemitter-Lasens unterscheidet sich grundlegend von dem konventioneller Laser und bietet neuartige und faszinierende physikalische Konzepte und Anwendungen. Solche Laser werden durch Quanten- und Korrelationseffekte angetrieben, die derzeit noch nicht vollständig verstanden sind. Neben der theoretischen Beschreibung und dem konzeptionellen Verständnis stellten die technologische Umsetzung und die experimentelle Charakterisierung eine große Herausforderung dar. Durch die Kombination von mikroskopischer Modellierung, quantenoptischer Spektroskopie und Probenpräparation im Nanomaßstab sollte das Projekt zu einem schlüssigen Verständnis von Einzelemitter-Lasern führen.

Partnerorganisation: Prof. M. Kamp, Universität Würzburg, Dr. C. Gies, Universität Bremen

Förderung: DFG RE 2974/10-1

Referenzen: M. Lermer, N. Gregersen, M. Lorke, E. Schild, P. Gold, J. Mork, C. Schneider, A. Forchel, S. Reitzenstein, S. Höfling, and M. Kamp. Appl. Phys. Lett. 102, 052114 (2013); C. Gies, M. Florian, P. Gartner, and F. Jahnke. Modelling single quantum dots in microcavities. In F. Jahnke, editor, Quantum Optics With Semiconductor Nanostructures. Woodhead Publishing Limited (2012); C. Gies, J. Wiersig, M. Lorke, and F. Jahnke. Phys. Rev. A 75, 013803 (2007).

Fortgeschrittene Galliumnitrid-basierte Quantenbauelemente (Q-GaN)

Im Rahmen dieses Projekts wurden wir fortgeschrittene Quantenbauelemente auf GaN-Basis entwickelt und untersucht. Wir demonstrierten neuartige Konzepte zur Manipulation des Emissionsprozesses von GaN-Quantenpunkten und zur Ausnutzung nichtlinearer Emissionsprozesse für die Erzeugung von Quantenlicht. Dazu gehörten Einzelphotonen mit von außen einstellbarer Emissionsenergie und verschränkte Photonenpaare. Zu diesem Zweck haben wir Nanokavitätensysteme im GaN-Materialsystem entwickelt, die es uns ermöglichten, die spontane Emission einzelner Quantenpunkte durch quantenelektrodynamische Effekte im Hohlraum zu kontrollieren und zu verstärken. Ein zentrales Ziel des Projekts war es, den Purcell-Effekt in photonischen Kristallresonatoren auszunutzen, um die Wahrscheinlichkeit von Zwei-Photonen-Emissionsprozessen zu erhöhen, die für Quantenpunkte vernachlässigbar ist, aber in Gegenwart einer optischen Resonanz einem Nanoresonator verstärkt werden kann. Die durch Resonator-verstärkten Zwei-Photonen-Prozesse werden auch für die Frequenzkonversion von Licht auf Einzelphotonenebene genutzt. Darüber hinaus haben wir zum ersten Mal einzelne Quantenpunkte in piezokontrollierte GaN-Nanohohlräume eingebettet, um ihre exzitonischen Emissionsenergien über externe Dehnungsfelder abzustimmen.

Unser Ansatz hat es uns ermöglicht, kompakte Quantensysteme für die getriggerte Emission von Einzelphotonen und verschränkten Photonenpaaren mit einstellbarer Energie über zwei Photonenemissionsprozesse zu realisieren. Hier war das GaN-Materialsystem von besonderem Interesse, da es große Exzitonenbindungsenergien und große Bandoffsets aufweist, die den Betrieb bei hohen Temperaturen bis zu 300 K ermöglichen. Am wichtigsten ist, dass GaN-QDs eine intrinsische Paritätsbrechung aufweisen, die Zwei-Photonen-Prozesse stark verbessert. Die Ergebnisse unseres Projekts würden sich auf die aufkommende Quanteninformationstechnologie auswirken, die entscheidend von der Verfügbarkeit moderner Quantenlichtquellen abhängt.

Partnerorganisationen: Prof. N. Grandjean, Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), Prof. A. Hoffmann, Institute of Solid State Physics, TU Berlin, Dr. A. Schliwa, Institute of Solid State Physics, TU Berlin

Förderung: DFG RE2974/8-1

Referenzen: G. Callsen, A. Carmele, G. Hönig, C. Kindel, J. Brunnmeier, M. R. Wagner, E. Stock, J. S. Reparaz, A. Schliwa, S. Reitzenstein, A. Knorr, A. Hoffmann, S. Kako, and Y. Arakawa, Phys. Rev. B 87, 245314 (2013). N. Vico Triviño, U. Dharanipathy, J.-F. Carlin, Z. Diao, R. Houdre, and N. Grandjean, Appl. Phys. Lett. 102, 081120 (2013).

 

Entwicklung von Quantenpunkten für künftige Anwendungen in der Quantenkommunikation

Das Projekt befasste sich mit der Herstellung und Untersuchung von InGaAs-Quantenpunkten auf GaAs (111)-Substraten. Theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass solche Quantenpunkte vielversprechende Kandidaten für die Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren sind, z. B. für Quantenkommunikationsverfahren. Das Projekt sollte das nicht-triviale Wachstum solcher Quantenpunkte vorantreiben.

Partneroranisation: Prof. Dr. V. Haisler, Institute of Semiconductor Physics in Novosibirsk, Russland

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung, FörderNr.: 01DJ12097

Referenzen: A. Schliwa et al., “(111)‐Grown In(Ga)As/GaAs Quantum dots as ideal source of entangled photon pairs”, Phys. Rev. B 80, 161307(2009). E. Stock et al., „Single‐photon emission from InGaAs quantum dots grown on (111) GaAs”, Appl. Phys. Lett.96, 93112 (2010).

Beendet: 30.6.2015

Gerichtete transversale Laseremission von elektrisch angetriebenen Quantenpunkt-Mikroplillar-Resonatoren

Mikroscheibenlaser mit einem seitlichen Emissionsprofil können im Gegensatz zu z. B. kantenemittierenden Lasern ohne Spaltung des Wafers hergestellt werden. Daher sind sie vielversprechende Kandidaten für die On-Chip-Quantenoptik.

Dieses Projekt zielte auf die Realisierung von Quantenpunkt-Mikroscheibenlasern für den elektrischen Betrieb ab. Die Laser sollten große Q-Werte und kleine Modenvolumina haben. Mit Hilfe eines Limakon-förmigen Querschnitts sollten sie so optimiert werden, dass sie eine seitliche gerichtete Emission in einem kleinen Winkelbereich ermöglichen.

Partnerorganisationen: Prof. Dr. J. Wiersig, Institute of Theoretical Physics, Otto-von-Guericke University in Magdeburg, Germany, Prof. Dr. M. Kamp, Technische Physik, University of Würzburg, Germany

Förderung: German Research Foundation, Grant-No.: Re2974/2-1

Abgeschlossen: 08.2014

Elektro-optische Untersuchungen des dunklen Exzitons unter Verwendung von Ein-Photonen-Licht emittierenden Vorrichtungen mit vertikalem Hohlraum

Im Rahmen dieses Projekts wurden hochwertige Einzelphotonenquellen mit InGaAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht entwickelt. Die elektrisch kontaktierten Bauelemente ermöglichten es uns, die Ladungskonfiguration in den Quantenpunkten von außen zu steuern, was wir nutzten, um dunkle Exziton-Zustände in den Quantenpunkten anzusprechen und zu manipulieren. Dadurch konnten wir das Potenzial dieser Zustände als Qubits mit langen Kohärenzzeiten als Bausteine für Quanteninformationssysteme erforschen.

Partnerorganisationen: Prof. Dr. D. Gershoni, Technion in Haifa, Israel, Prof Dr. D. Bimberg, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Deutschland

Förderung: German-Israeli-Foundation for Scientific Research and Development, Grant-No.: 1148-77.14/2011

Referenzen: M. Gschrey, M. Seifried, L. Krüger, R. Schmidt, J.-H. Schulze, T. Heindel, S. Burger, S. Rodt, F. Schmidt, A. Strittmatter, and S. Reitzenstein, "Enhanced photon-extraction efficiency from deterministic quantum-dot microlenses",  arXiv:1312.6298 (2013). T. Heindel, C. Schneider, M. Lermer, S. H. Kwon, T. Braun, S. Reitzenstein, S. Höfling, M. Kamp, and A. Forchel, "Electrically driven quantum dot-micropillar single photon source with 34% overall efficiency“, Appl. Phys. Lett. 96, 011107 (2010). E. Poem, Y. Kodriano, C. Tradonski, N. H. Lindner, B. D. Gerardot, P. M. Petroff and D. Geshoni, “Accessing the dark exciton with light.” Nature Phys. 6, 993 (2010). D. Bimberg, E. Stock, A. Lochmann, A. Schliwa, J. Töfflinger, W. Unrau, M. Munnix, S. Rodt, V. A. Haisler, A. I. Toropov, A. Bakarov, A. K. Kalagin, “Quantum Dots for Single- and Entangled-Photon Emitters”, IEEE Photonics J. 1, 58 (2009).

Einfluss akustischer Phononen auf die Dynamik des Exziton-Biexziton-Systems in Quantenpunkten und Quantenpunkt-Mikrokavitätensystemen

Das Projekt umfasste experimentelle und theoretische Untersuchungen, um Einblicke in die nicht-lineare und nicht-markovsche Dynamik von Exzitonen und Biexzitonen in Quantenpunkten zu gewinnen. Es wurden Systeme mit und ohne Mikroresonatoren analysiert. Durch den Einsatz von Photostromspektroskopie und einer fortgeschrittenen Pfadintegralmethode wollten wir die kohärente Dynamik von exzitonischen Komplexen, die in einzelnen selbstorganisierten Quantenpunkten eingeschlossen sind, umfassend untersuchen. Die Studien umfassten auch Untersuchungen zur kohärenten Entwicklung von gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavitätensystemen mittels elektrischer Auslesung.

Partnerorganisationen: Prof. Dr. V. M. Axt, Institute of Theoretical Physics III, University of Bayreuth, Deutschland, Prof. Dr. M. Kamp, Technische Physik, University of Würzburg, Deutschland

Förderung: DFG RE2974/5-1

Referenzen: P. Gold, M. Gschrey, C. Schneider, S. Höfling, A. Forchel, M. Kamp, S. Reitzenstein, „Single quantum dot photocurrent spectroscopy in the cavity quantum electrodynamics regime“, Phys. Rev. B 86, 161301(R) (2012). A. Vagov, M.D. Croitoru, M. Glässl, V.M. Axt and T. Kuhn, “Real-time path integrals for quantum dots: Quantum dissipative dynamics with superohmic environment coupling”, Phys. Rev. B 83, 094303 (2011).

Optische Metrologie für quantengestützte sichere Telekommunikation

Ziel des Projekts war die Beschleunigung der Entwicklung und der kommerziellen Einführung von Quantum Key Distribution (QKD)-Technologien durch die Entwicklung rückverfolgbarer Messtechniken, -geräte und -protokolle, die die Charakterisierung und Validierung der Leistung und Sicherheit solcher Systeme unterstützen werden.

Webseite: http://empir.npl.co.uk/miqc2

Partnerorganisationen: siehe http://empir.npl.co.uk/miqc2/partners

Förderung: Die Forschung im Rahmen dieses gemeinsamen EURAMET-Forschungsprojekts wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union und die EMPIR-Teilnehmerstaaten finanziert.

Resonanzfluoreszenz in kohärent gekoppelten Quantenpunkt-Mikrosäulenresonatoren

Das Quantenpunkt-Mikrokavitätensystem wurde unter resonanten Bedingungen im Bereich der starken Kopplung angeregt. Die streng-resonante Anregung hat neue Ergebnisse zu nicht-linearen Kopplungsprozessen, Eigenschaften der Jaynes-Cummings-Leiter und der Entwicklung des Mollow-Tripletts geliefert.

Partnerorganisationen: Prof. Dr. M. Kamp, Technische Physik, University of Würzburg, Germany, Prof. Dr. P. Michler, Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Universität Stuttgart

Förderung: DFG RE2974/3-1

Referenzen: S. Ates, S. M. Ulrich, A. Ulhaq, S. Reitzenstein, A. Löffler, S. Höfling, A. Forchel, P. Michler, "Non-resonant dot–cavity coupling and its potential for resonant single-quantum-dot spectroscopy", Nature Photonics 3, 724 (2009). S. Ates, S. M. Ulrich, S. Reitzenstein, A. Löffler, A. Forchel, P. Michler, "Post-Selected Indistinguishable Photons from the Resonance Fluorescence of a Single Quantum Dot in a Microcavity", Phys. Rev. Lett. 103, 167402 (2009).

Halbleiterbasierte Einzelphotonenquellen für die Quanteninformationsverarbeitung

Im Rahmen des Projekts wurden Einzelphotonenquellen auf der Basis von epitaktischen Quantenpunkten als "Plug and Play"-fähige Geräte realisiert. Der Herstellungsprozess wurde auf seine technische und wirtschaftliche Machbarkeit hin analysiert und getestet. Besonderes Augenmerk ist dabei auf das ortskontrollierte Wachstum der Quantenpunkte gelegt worden.

Die Entwicklung von "plug and play"-fähigen Einzelphotonenquellen konzentrierte sich auf folgende Punkte:

  • Selbstausgerichtetes Wachstum und Integration von einzelnen Quantenpunkten als Emitter
  • Mit der VCSEL-Technologie kompatible Herstellungsverfahren
  • Hoher Einzelphotonen-Ausgangsfluß
  • Reine Einzelphotonenemission
  • Schmale Emissionslinienbreite
  • Spektral abstimmbare Emission von Einzelphotonen
  • Elektrische Triggerung der Einzelphotonenemission
  • Benutzerfreundliche Faserauskopplung
  • Benutzerfreundlicher Betrieb mit Helium-/Stickstoff-freier Kühlung

Partnerorganisationen: PD Dr. A. Strittmatter, Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Deutschland

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung, FörderNr. 03V0630

Patent: U.S. Patent: „Optoelektronische Vorrichtung“, Publication number US20160320575 A1, Application number US 14/699,605

Referenzen: W. Unrau, D. Quandt, J.-H. Schulze, T. Heindel, T. D. Germann, O. Hitzemann, A. Strittmatter, S. Reitzenstein, Appl. Phys. Lett. 101, 211119 (2012). T. Heindel, C. Schneider, M. Lermer, S. H. Kwon, T. Braun, S. Reitzenstein, S. Höfling, M. Kamp, and A. Forchel, „Electrically driven quantum dot-micropillar single photon source with 34% overall efficiency“, Appl. Phys. Lett. 96, 011107 (2010).

Pressemitteilung:  http://www.tu-berlin.de/?id=138056